پیشرفت در فناوری جوشکاری آلتراسونیک آلومینیوم و مس در وسایل نقلیه الکتریکی و کاربردهای ابررسانا

01 مقدمه با توسعه سریع وسایل نقلیه با انرژی جدید و فن‌آوری ابررسانا در دمای{1}بالا، سبک وزن، رسانایی بالا و فناوری‌های اتصال بسیار قابل اعتماد به مسائل کلیدی در زمینه تولید تبدیل شده‌اند. آلومینیوم و مس به دلیل هدایت الکتریکی عالی، چگالی کم و مقاومت در برابر خوردگی خوب، به طور گسترده در باتری‌های نیرو، سیستم‌های محرک الکتریکی، اتصالات شینه‌ها و دستگاه‌های ابررسانا استفاده می‌شوند. با این حال، اتصالات آلومینیوم-آلومینیوم، مس-مس و آلومینیوم-مس اغلب با مشکلاتی مانند گرمای بیش از حد، تشکیل ترکیبات بین فلزی، نرم شدن اتصالات، و تغییر شکل جوش در طی فرآیندهای جوشکاری ذوبی معمولی مواجه می شوند که کاربردهای مهندسی آنها را به طور جدی محدود می کند. جوشکاری اولتراسونیک به عنوان یک فناوری اتصال حالت جامد معمولی، اتصال متالورژیکی مواد را از طریق ارتعاشات مکانیکی با فرکانس بالا و اصطکاک رابط حاصل می‌کند و مزایایی مانند حرارت ورودی کم، زمان جوش کوتاه، و واکنش‌های سطحی قابل کنترل را ارائه می‌دهد. در سال‌های اخیر، در زمینه‌های خودروهای الکتریکی و مهندسی ابررسانا مورد توجه گسترده‌ای قرار گرفته است. مخصوصاً در اتصالات زبانه باتری، جوشکاری فلزات غیرمشابه آلومینیومی-و{10}}ساخت گذرگاه با رسانایی بالا، جوشکاری اولتراسونیک عملکردی جامع و برتر از روش‌های جوشکاری سنتی را نشان می‌دهد. در مقابل این پس زمینه، این مقاله به طور سیستماتیک پیشرفت تحقیقاتی فناوری جوشکاری آلتراسونیک آلومینیوم و مس در خودروهای الکتریکی و کاربردهای ابررسانا را مرور می‌کند، مکانیسم‌های جوشکاری، تکامل فرآیند و کاربردهای مهندسی کنونی را خلاصه می‌کند، در نتیجه یک مرجع نظری برای بهینه‌سازی فرآیند بعدی و توسعه فناوری ارائه می‌دهد.

02 ویژگی های جوشکاری اولتراسونیک

جوشکاری اولتراسونیک در درجه اول از دو پیکربندی معمولی استفاده می‌کند: سیستم فشار گوه-و سیستم درایو جانبی- (شکل 1). هر دو از نظر مکانیسم ارتعاش مشابه هستند اما در شکل ساختاری، سطح دامنه، نیروی گیره و مواد قابل اجرا با هم تفاوت دارند. سیستم فشار گوه با دامنه کم و نیروی گیره بالا مشخص می شود که انرژی مافوق صوت را مستقیماً به قطعه کار از طریق ترکیب ارتعاش طولی و ارتعاش عرضی در نوک جوش منتقل می کند که برای مواد ضخیم تر یا سفت تر مناسب است. سیستم درایو جانبی مزایای دامنه بالا، نیروی گیره کم و پارامترهای دقیق قابل اندازه‌گیری را ارائه می‌دهد که آن را برای اتصال سیم‌های ظریف، فویل‌ها و ورق‌های نازک مناسب‌تر می‌کند و از این رو به طور گسترده در زمینه‌هایی مانند باتری‌های لیتیوم{8} یون و نوارهای ابررسانا استفاده می‌شود. بر این اساس، پارامترهای جوشکاری اولتراسونیک را می توان به پارامترهای فرآیند و پارامترهای مواد تقسیم کرد که انرژی جوش، زمان، نیروی گیره و دامنه ارتعاش عوامل کلیدی تعیین کننده کیفیت جوش هستند. در حین جوشکاری، لازم است که نیروی گیره و دامنه ارتعاش به طور معقولی مطابقت داشته باشد و در عین حال از تماس کافی اطمینان حاصل شود، تا از لغزش ناشی از نیروی گیره ناکافی یا نازک شدن بیش از حد مواد در اثر نیروی بیش از حد جلوگیری شود.

شکل 1 یک سیستم جوشکاری اولتراسونیک را با استفاده از حالت ارتعاش عرضی، از جمله (الف) یک سیستم فنر گوه و (ب) یک سیستم درایو عرضی نشان می‌دهد[1] 2.

2 الزامات الکتریکی، حرارتی و مکانیکی جوشکاری اولتراسونیک به عنوان یک فرآیند اتصال حالت جامد معمولی، جوشکاری اولتراسونیک فلزی مزایایی در سازگاری الکتریکی، حرارتی و مواد دارد، به ویژه برای اتصال مواد با رسانایی حرارتی و الکتریکی بالا. مطالعات نشان داده‌اند که در مقایسه با جوشکاری نقطه‌ای مقاومتی، جوشکاری اولتراسونیک مصرف انرژی در آماده‌سازی اتصالات آلیاژ آلومینیوم را کاهش می‌دهد، در حالی که به مقاومت‌های تماس الکتریکی و حرارتی بسیار پایین دست می‌یابد، با زمان‌های جوش فقط در سطح گذرا، که کارایی انرژی و عملکرد مدیریت حرارتی عالی را نشان می‌دهد. در کاربردهای مغناطیسی و ابررسانای دمای پایین (مانند نوارهای REBCO CC)، عملکرد اتصال به شدت به هدایت حرارتی، تطابق ضریب انبساط حرارتی و پایداری مکانیکی بستگی دارد. از آنجایی که در جوشکاری اولتراسونیک از فلزات پرکننده استفاده نمی شود، به طور موثری از کرنش باقیمانده، ترک خوردگی یا لایه لایه شدن رابط ناشی از عدم تطابق انبساط حرارتی جلوگیری می کند، در نتیجه خطرات خاموش شدن را کاهش می دهد و عمر مفید را افزایش می دهد. در عین حال، اتصالات تولید شده توسط فرآیند جوشکاری اولتراسونیک، پایداری حرارتی خوبی دارند، که برای حفظ یکپارچگی ساختاری در طول فرآیندهای حمل{7} فعلی مفید است. از منظر مواد و متالورژی، جوشکاری اولتراسونیک به عنوان یک فرآیند حالت جامد می‌تواند به اتصال مطمئن فلزات غیرمشابه دست یابد، نیازهای کمی برای شرایط سطح، سازگاری بالا دارد، می‌تواند موادی با تفاوت‌های زیاد در نقطه ذوب را به هم متصل کند و خطر خوردگی را کاهش می‌دهد. اتصالات تولید شده توسط این فرآیند کمترین تغییر شکل و کیفیت جوش بالایی را نشان می‌دهند، مناسب برای صفحات ضخیم، صفحات نازک و فویل‌های{11} فوق‌العاده نازک، پایداری خوب و چشم‌اندازهای کاربردی مهندسی در زمینه‌های اتصال دقیق مانند باتری‌های لیتیوم{12}یون و نوارهای ابررسانا را نشان می‌دهند.

3.1 چالش‌ها در بهینه‌سازی جوشکاری در کاربردهای جوشکاری اولتراسونیک آلومینیوم، مس، و مواد غیرمشابه، دستیابی به اتصالات با کیفیت بالا و ثابت هنوز با چالش‌های متعددی مواجه است. اگرچه ثابت شده است که اکثر آلیاژهای آلومینیوم (مانند سری 5xxx و 6xxx) قابلیت جوشکاری اولتراسونیک خوبی دارند، برخی از آلیاژها هنوز از مشکلاتی مانند چسبندگی نوک جوشکاری، تغییر شکل شدید و پنجره های فرآیند باریک رنج می برند که بهینه سازی پارامترها را بسیار به ویژگی های مواد وابسته می کند. کیفیت جوش به پارامترهای فرآیند بسیار حساس است که در میان آنها انرژی جوش، زمان، دامنه ارتعاش و فشار گیره عوامل غالب هستند و تعامل آنها پیچیدگی فرآیند را بیشتر می‌کند. در حالی که طراحی تجربی کامل{7}}عاملی سنتی می‌تواند حجم زیادی از داده‌ها را به دست آورد، هزینه‌بر و از نظر آماری ناکارآمد است. در مقابل، آنالیز واریانس (ANOVA) ثابت شده است که به طور موثر پارامترهای کلیدی و تعاملات آنها را با آزمایش‌های کمتر شناسایی می‌کند، که مبنای قابل اعتمادی برای به حداکثر رساندن استحکام جوش و کنترل ثبات فراهم می‌کند. با این حال، استفاده از روش های آماری در محیط های صنعتی هنوز به دلیل دشواری تفسیر داده ها محدود است.
از منظر مکانیکی، تنش سطحی دینامیکی ایجاد شده در طول جوشکاری اولتراسونیک می‌تواند فیلم اکسید را خرد کرده و پیوند متالورژیکی را تقویت کند. گرمای ورودی ناکافی یا بیش از حد می‌تواند به راحتی منجر به-جوش‌کاری یا بیش از حد-جوش‌کاری شود که منجر به شکستگی سطحی یا کاهش عملکرد می‌شود. مطالعات نشان داده‌اند که تطابق معقول بین زمان جوشکاری و دامنه ارتعاش می‌تواند ساختار هسته جوش بهینه را تشکیل دهد، در حالی که استراتژی‌های پیشرفته مانند کنترل منحنی دامنه، قدرت جوشکاری و پایداری اتصالات مس غیر مشابه Al-Cu را با تنظیم انرژی ورودی در مراحل بهبود می‌بخشد. علاوه بر این، پارامترهای ساختاری مانند موقعیت صفحات نازک در ساختارهای چند لایه، بافت سطح نوک جوش و سندان، و شکاف اولیه نیز تاثیر قابل توجهی بر کیفیت جوش دارند، به ویژه در کاربردهای بسیار حساس مانند نوارهای ابررسانا، که در آن عدم تطابق پارامترها ممکن است منجر به افزایش مقاومت یا آسیب به لایه عملکردی شود. به طور کلی، چالش اصلی بهینه‌سازی جوش اولتراسونیک در دستیابی به بهبود هم افزایی سازگاری مواد، عملکرد اتصال و پایداری فرآیند تحت شرایط چند پارامتری به‌شدت جفت شده است، که نیاز به طراحی سیستماتیک ترکیبی از درک مکانیکی و روش‌های بهینه‌سازی آماری با حداقل هزینه آزمایشی دارد.

3.2 چالش در مواد و متالورژی در فرآیند جوشکاری اولتراسونیک آلومینیوم، مس و مواد غیر مشابه، تأثیر مواد و عوامل متالورژیکی بر عملکرد اتصال بسیار پیچیده است. رفتار خوردگی یکی از مسائل کلیدی است که قابلیت اطمینان سرویس اتصال را محدود می کند. خوردگی اتمسفر، خوردگی فرتینگ، و خوردگی گالوانیکی همگی رابط تماس فلزی-به-فلزی را تخریب می‌کنند، مقاومت را افزایش می‌دهند و پایداری طولانی‌مدت باتری‌ها و اتصالات REBCO CC را کاهش می‌دهند. رفتار اکسیداسیون مواد مختلف متفاوت است: لایه اکسید روی سطح آلومینیوم به سرعت تشکیل می شود و نسبتاً نازک است، در حالی که لایه اکسید مس ساختار پیچیده تری دارد و دارای خواص رسانایی و عایق است و کنترل متالورژیکی سطح مشترک مواد غیر مشابه را دشوار می کند. در جوشکاری اولتراسونیک Al{8}}Cu، لایه انتشار سطحی معمولاً از فازهای نانوبلور، آمورف و نابجایی با چگالی بالا تشکیل شده است. این ساختار از تغییر شکل پلاستیک شدید و نفوذ میان اتمی ناشی از ارتعاش اولتراسونیک ناشی می‌شود، که برای اتصال مکانیکی و پیوند متالورژیکی مفید است، اما ممکن است تشکیل ترکیبات بین‌فلزی شکننده (IMCs) را نیز تقویت کند. به دلیل میل ترکیبی شیمیایی بالا بین Al و Cu، زمانی که دما یا تغییر شکل برشی از شرایط بحرانی فراتر رود، IMC هایی مانند Al2Cu به راحتی تشکیل می شوند که منجر به کاهش خواص مکانیکی اتصال و افزایش مقاومت می شود، به خصوص زمانی که ضخامت لایه IMC از حدود 2 میکرومتر بیشتر شود، اثرات نامطلوب آن بیشتر می شود.
همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، با افزایش زمان و انرژی جوشکاری، اثر فرورفتگی سر جوش و سندان افزایش می‌یابد و فرورفتگی‌های سطح و ویژگی‌های نازک شدن مقطع{1} در ناحیه جوش ظاهر می‌شوند که منعکس کننده جریان پلاستیک و ترتیب مجدد مواد در طول فرآیند جوشکاری است. موجی بودن سطح مشترک با افزایش زمان جوش افزایش می‌یابد، که نه تنها مسیر انتشار ترک را کوتاه می‌کند، بلکه حالت شکست را نیز تغییر می‌دهد، به تدریج از شکستگی سطحی به شکستگی بیرون‌کشی یا مخلوط تبدیل می‌شود، بنابراین بر بار شکست اتصال تأثیر می‌گذارد. برای جوشکاری مواد متفاوت، تفاوت در سختی مواد این عدم تقارن تغییر شکل را تقویت می کند. مواد نرم تر مستعد تبلور مجدد دینامیکی و پالایش دانه هستند که در نتیجه توزیع سختی ناهموار در ناحیه جوش ایجاد می شود.

3.3 چالش‌های کوپلینگ الکترومکانیکی در کاربردهایی مانند بسته‌های باتری خودروهای الکتریکی و نوارهای ابررسانا REBCO CC، اتصالات جوشی اولتراسونیک نه تنها باید الزامات اتصال مکانیکی را برآورده کنند، بلکه باید مقاومت تماس الکتریکی پایین و پایداری نیز داشته باشند تا از تجمع گرمایش ژول، عدم تعادل الکتریکی، و حتی شارژ بیش از حد ناشی از مسائل ایمنی مانند فراری تحقیقات نشان می‌دهد که ساختار اتصال و پیکربندی مواد بر مقاومت و رفتار حرارتی تأثیر می‌گذارد: در اتصالات چندلایه Cu–Al، مواد نرم‌تر در سمت سر جوش بیشتر در معرض تغییر شکل و نازک شدن هستند، بنابراین عملکرد الکتریکی اتصال را کاهش می‌دهند. در مقابل، قرار دادن یک لایه مس ضخیم تر یا سخت تر در سمت سندان می تواند نقص های سطحی را کاهش دهد و مقاومت مفصل را کاهش دهد. آزمایش‌های بارگذاری پالس فعلی بیشتر نشان می‌دهد که اتصالات Al-Cu، به دلیل مقاومت سطحی بالاتر، افزایش دمای بیشتری را تحت شرایط فعلی مشابه در مقایسه با مفاصل Cu-Cu تجربه می‌کنند، که تأثیر محدودکننده جفت‌کننده‌ی الکترو{4}}گرما- بر قابلیت اطمینان اتصال را برجسته می‌کند. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، در مقایسه با اتصالات لحیم کاری شده سنتی، اتصالات جوشی اولتراسونیک با ایجاد یک اتصال حالت جامد مستقیم بین لایه‌های مسی، تعداد لایه‌ها و رابط‌های مواد در مسیر فعلی را کاهش می‌دهند و در نتیجه مقاومت کلی تماس را کاهش می‌دهند. با این حال، رابط آنها معمولاً از هر دو ناحیه متصل (P1) و بدون پیوند (P2) تشکیل شده است، و عملکرد الکتریکی به ناحیه پیوند مؤثر بسیار حساس است. برای بهبود بیشتر پایداری اتصال در میدان‌های مغناطیسی قوی و محیط‌های برودتی، یک روش جوشکاری کامپوزیت اولتراسونیک{12}}پیشنهاد شده است. این روش تداوم تماس الکتریکی را افزایش می‌دهد، مقاومت مفصل را کاهش می‌دهد و با اجازه دادن به لحیم کاری برای نفوذ به مناطق بدون پیوند، پایداری مکانیکی و مقاومت خمشی را بهبود می‌بخشد. به طور کلی، نتایج نشان داده شده در شکل به طور مستقیم یک ارتباط نزدیک بین ساختار رابط مشترک، ناحیه رسانای موثر و رفتار جفت الکترومکانیکی را نشان می دهد. طراحی منطقی پیکربندی اتصال جوش داده شده اولتراسونیک و فرآیند هیبریدی آن کلید دستیابی به اتصالات الکتریکی بسیار قابل اعتماد است.

04 نتیجه گیری به طور کلی، جوشکاری اولتراسونیک مزایای فنی قابل توجهی را در اتصال آلومینیوم و مس نشان می دهد، و آن را به ویژه برای وسایل نقلیه الکتریکی و کاربردهای ابررسانا که به رسانایی الکتریکی بسیار بالا و یکپارچگی ساختاری نیاز دارند، مناسب می کند. تحقیقات موجود به طور سیستماتیک مکانیسم پیوند رابط آن را نشان داده و پیشرفت مهمی در بهینه‌سازی پارامترهای فرآیند و کاربردهای مهندسی به دست آورده است. با این حال، تحقیقات در مورد ساختارهای چندلایه پیچیده، قابلیت اطمینان خدمات طولانی مدت مواد غیرمشابه، و مدل‌سازی عددی فرآیند جوشکاری نسبتاً محدود است. تحقیقات آینده باید بیشتر بر روی{5}}تحلیل مکانیسم در مقیاس چندگانه، کنترل دقیق پنجره فرآیند، و کاربرد هم افزایی جوشکاری اولتراسونیک با سایر فناوری‌های اتصال پیشرفته تمرکز کند تا توسعه عمیق و کاربرد مهندسی این فناوری در تولیدات پیشرفته را ارتقا دهد.